UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚAȘCOALA DOCTORALĂ DE INGINERIE MECANICĂ ȘI MECATRONICĂ

PROPUNERE TEMĂ STUDII DOCTORALE CU TITLUL:

STUDII DE OPTIMIZARE PRIN ANALIZĂ NUMERICĂ A PLĂCILOR BIPOLARE DIN CADRUL PILELOR DE COMBUSTIE

CU MEMBRANĂ PROTONICĂ(PEMFC)

CONDUCĂTOR DOCTORAT:Prof.univ.dr. NICOLAE BUZBUCHI

CANDIDAT:VIOREL IONESCU

CONSTANȚA 2015

PREZENTAREA PE SCURT A DIPLOMELOR OBTINUTE DE CANDIDAT

LICENȚIAT ÎN FIZICĂ-CHIMIE(4 ANI), UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANȚA, PROMOȚIA 2000

STUDII APROFUNDATE ÎN FIZICA STĂRII CONDENSATE ȘI A SISTEMELOR ATOMICE(1 AN), UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANȚA, PROMOȚIA 2001

DOCTORAT ÎN DOMENIUL FIZICĂ, UNIVERSITATEA DIN BUCUREȘTI(3 ANI), TITLUL TEZEI:“OBȚINEREA ȘI CARACTERIZAREA UNOR STRATURI SUBȚIRI NANOSTRUCTURATE CU PROPRIETĂȚI ELECTRICE, MAGNETICE ȘI MECANICE SPECIALE”, 2010.

MASTERAT ÎN DOMENIUL INGINERIE ELECTRICĂ, UNIVERSITATEA MARITIMĂ CONSTANȚA,SPECIALIZAREA SISTEME ELECTRICE AVANSATE(2 ANI), PROMOȚIA 2015

CUPRINSUL PREZENTĂRII

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL UNEI PILE DE COMBUSTIE CU MEMBRANĂ PROTONICĂ

Distribuția gazelor prin materiale poroase GDL(µm)

Fig.1. Vedere a proceselor interne într-o pilă de combustie cu membrană schimbatoare de protoni [1]

[1] http://www.hydrogendays.cz/2014/gallery/hds2014_presentations/lapicque.pdf

Transportul H+ prinmembrana PEM(µm)

Producerea de H20 la catod

Curgerea gazelor de reacție prin plăcile bipolare(1mm)

Electrozi pentru reacțiileElectrocatalitice(2-10nm)

Fig.2. Prezentarea tuturor componentelor unui sistem PEMFC format dintr-o singură celulă [2]

[2] Kap-Seung Choi , Int. J. Electrochem. Sci., 10 (2015) 2564 - 2579

Nafion(LT) PTFE(HT)

APLICAȚII INDUSTRIALE ALE PEMFC

Fig.4. Primul model de serie de automobil cu pilă de hydrogen: Toyota MIRAI( combinatie a tehnologiei Toyota Fuel cell system – TFCS si a tehnologiei hibride) cu lansare în Europa și USA începând cu 2016[4].

Fig.3. Micro-unitate de cogenerare caldura/electricitate pe baza de HT-PEMFC[3]

• 14 milioane de boilere pe bază de petrol în UE – piață de miliarde de euro

• Nouă tehnologie: Pile de combustie pentru micro-unități de generare combinata caldura / energie electrica( FC µCHP)

• Noul centru de cercetare 4M din cadru DTU Energy Conversion – proiect 2013-2018 de dezvoltare FC µCHP( MIT-USA, KIST – Korea, Forschungszentrum Jülich - Germania, Aalborg University – Danemarca)

• PEMFC de joasă temperatură(800C - 1000C) –aplicații in domeniul automobilelor, eficiență de pana la 60%, durată de viață de 5000 ore de funcționare.

• PEMFC de înaltă temperatură(1500C - 1800C) – utilizare la FC µCHP, 20.000 ore functionare in prezent.țintă 2018: approx. 40.000 hours(5 ani).• LT PEMFC : combustibil H2 ; HT PEMFC: H2, metanol, gaz metan, propan

[3] http://www.marcogaz.org/downloads/EGATEC2013/Day2-May31/PS5/PS5f_6_Kasuh.pdf[4] http://www.toyota-global.com/innovation/environmental_technology/fuelcell_vehicle/

ECUAȚII DE GUVERNARE A FUNCȚIONĂRII PEMFC ,FOLOSITE IN CADRUL MODELELOR FEM

a. Canalele de curgere reactanți

Considerații initiale - model:•Curgere laminară: Re redus, gradient P mic•Amestec gazos ideal •Electrozi, PEM : materiale omogene•Distribuție uniformă a T•PEM impermeabilă la O2, H2

•H+ doar prin PEM 1

( ) ( ) 0;

0

T

e

v v p v vR

v

Ec. Navier Stokes adimensională:

Ec. de continuitate:

i ii

pM x

RT

Ec. Maxwell - Stefan: 3

1

[ ] 0i ij j j j j ij j

M M pD x v

M M p

b. Distribuția vitezei în straturile de difuzie a gazelor(GDL) și în electrozii de cataliză

Legea lui Darcy:k

u p

c. Curgere prin GDL 1( ) 0

0

TB

e

k v p v vR

v

2

Be

Hk

R

Ec. Brinkman:

( )u S Ec. de continuitate:

d. Conservare sarcină electrică:( )

( )s s s

m m m

S

S

La ACL:La CCL:

Sm=ja si Ss=-ja

Sm=jc si Ss=-jc

Fig.5. Identificarea regiunilor de pierderi pe curba de polarizare a unei celule PEMFC

• Regiunea de pierderi la activare – pornirea reactiilor electrochimice• Regiunea de pierderi ohmice– rezistența la curgerea e- și H+

• Regiunea de pierderi a concentrației reactanților– modificări conentrație, obstrucții flux gaze, acumulare H2O

CURBA DE POLARIZARE A UNEI CELULE PEMFC

GEOMETRII DE MODELE COMPUTAȚIONALE 2D ȘI 3D – Comsol Multiphysics

Channel widthGDL width

(O2)

(H2)

Fig.6.Geometria de model 2D: a)definirea subdomeniilorb) geometria de model pentru LT-PEMFC[5]

(a) (b)

Fig.7.Geometria de model computațional 3 D – HT PEMFC[6]

Placă bipolară

Canal curgere gaz

MEA2D

3D

[5] V. Ionescu, Finite element method modelling of a high temperature PEM fuel cell, Rom. Journ. Phys., Vol. 59, Nos. 3–4, P. 285–294, 2014

[6] V. Ionescu, Gas difusion layer and reactant gas channel influence on the performance of a HT-PEM fuel cell, submitted to Rom. Journ. Phys., 2015.

Elemente de Modelare 2D a LT-PEMC(Comsol Multiphysics)

[5]

CM1 - CM2 -CM3 -

- de variat: 0.6; 0.7; 0.8 mm- de variat: 0.175; 0.2; 0.225;0.275 mm

Fig.8. Distribuția vitezei Darcy (m/s) a reactanților dealungul GDL anodic(stanga) și GDL catodic(dreapta) la 0.7 V pentru CM1 [5]

• Mecanism difuzie – O2 si H2

• Câmp maxim: colțurile CC

Fig.9. Distribuția fluxului de difuzie al H2O către ACL pentru:a) CM1, b)CM2, c)CM3 [5]

• CM1: distribuție maximă, compactă a fluxului la interfața GDL/ACL

De studiat în viitor(model 2D):- distribuția densității de curent(A/m2) in GDL

- distribuția fracției masice a reactanților:de așteptat o creștere a facției de H2 de la in la out( “tragerii” electro-osmotice a H2O)

INFLUENȚA PARAMETRILOR GEOMETRICI AI CANALELOR TRANSPORT REACTANȚI ASUPRA PERFORMANȚELOR HT-PEMFC (1)

• Optimizare canal curgere reactanți:

Variere raport între 0.3 și 0.8 ch

ch rib

W

W W

=> Rație optimizată de 0.65

Fig.10 Efectul varierii raportului între lațimea canalului si a GDL asupra performanței celulei la 0.03 V și 0.06m/s(viteza curgere O2)

Fig.11 Variația concentrației molare a apei și O2 la CCL pentru diverse valori

mare – diluție redusă si concentrație ridicată, constantă a O2

Two 25 cm2 serpentine flow-field patterns of 5-passes and 4-turns; (a) Detail view, (b) Flow field pattern [2]

http://www.h-tec.com/fileadmin/content/edu/Anleitungen/BDA_F107_en.pdf

Figura 3.1. Placă bipolară BG modelată virtual. Faţa activă si fata opusă a plăcii.[12]

http://www.scoaladoctorala.valahia.ro/wp-content/uploads/2015/06/rezumat-negrea.pdf

[Y]J. Carfora, Latest Thermoset Developments for Fuel Cells, Imagination & implementation--Thermosets 2004 : topical conference , March 24-26, 2004, Itasca, Illinois, p.2-12

Figura 4.5. Simulare în SolidWorks a solicitărilor de încovoiere din placa bipolară

Solicitare mecanică placă bipolară:-Inconvoiere: forță strângere pachet-comprehensiune: zone contact direct plăci

F1

F2F2

F1

Definirea zonelor de actionare a fortelor asupra unei placi bipolare

ANALIZĂ TERMICĂ ȘI STRUCTURALĂ A PLĂCILOR BIPOLARE DIN CADRUL PEMFC

Fig. Plăci bipolare din grafit proiectate si realizate practic:a) modelul solid CAD; b) imagine a placii bipolare [x]

[x] I. Eroglu, S. Erkan, Development of a 100W PEM Fuel Cell Stack for Portable Aplications, Proceedings of the WHEC, May 16.-21. 2010, Essen, p.503-507

Fig. Placă bipolară din grafit cu evidențierea canalelor de racire[Y]

Evacuare gaz reactie

Admisie gaz reactie Admisie /evacuarelichid racire

gaură bolț prindere

[Y]J. Carfora, Latest Thermoset Developments for Fuel Cells, Imagination & implementation--Thermosets 2004 : topical conference , March 24-26, 2004, Itasca, Illinois, p.2-12

Fig. Placi bipolare din grafit cu structură a canalelor de tip serpentină(a)[z] si tip paralel (b) k], fară canale de racire[z]

[z] B. Sreenivasulu, G. Vasu, V. Dharma Rao, and S. V. Naidu, Effect of Back Pressure and Flow Geometry on PEM Fuel Cell Performance - An Experimental Study, Int. J. Appl. Sci. Eng., 2013. 11, p.1-11.

(a) (b)

[k] Y.M.Ferng, A. Sub, International Journal of Hydrogen Energy 32 (2007) 4466 – 4476